基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统设计研究——评《Xilinx FPGA数字信号处理设计-基础版》

姚 彬,杨文彬,薛仁魁(北京东方计量测试研究所)

在现代社会中，通信技术占有重要地位，保持通信基础设施的安全稳定运行，是保证社会信息交互可靠的关键。其中基于FPGA的数据采集系统应用十分广泛，并且随着天通卫星技术的发展，可以开发出基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统，从而更好地满足现代社会对通信技术的需求。本文对基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统的设计技术进行了分析，并以《Xilinx FPGA数字信号处理设计-基础版》为例进行了系统的阐述，对于提高天通卫星终端信号采集系统的设计技术水平具有一定的价值。同时对基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统中的功能模块进行了介绍，以下进行具体的介绍。

1 基于FPGA的数据采集系统分析

基于FPGA的数据采集系统在现代通信系统中具有重要的应用，在该系统中主要是对ADC和DAC的使用。主要实现功能流程为：首先通过串口向FPGA发送控制信号，控制DAC芯片tlv5618进行DA转换，转换的数据存在ROM中，转换开始时读取ROM中数据进行读取转换。其次用按键控制adc128s052进行模数转换100次，模数转换数据存储到FIFO中，再从FIFO中读取数据通过串口输出显示在PC上，其整体系统框图如图1所示。

从图1可以看出，该系统主要包括9个模块：串口接收模块、按键消抖模块、按键控制模块、ROM模块、DAC驱动模块、ADC驱动模块、同步FIFO模块、FIFO控制模块、串口发送模块。各个模块的作用如下：串口接收模块完成串口数据接收，将串行数据转换成并行数据输出。按键消抖模块进行按键消抖，可输出一个脉冲按键按下标志和按键按下时间标志。按键控制模块，当在DA一直输出模拟信号时，按下按键控制ADC转换100次。ROM模块，存储DA转换的数据，可存放正弦波形数据。DAC驱动模块，数模转换驱动模块，与外部DAC芯片相连，提供DAC芯片时钟和数据信号等。ADC驱动模块，模数转换驱动模块，与外部ADC芯片相连，提供ADC芯片时钟和控制信号等。同步FIFO模块，存放ADC转换后的数据。FIFO控制模块，当FIFO中有数据时，将FIFO中的数据转换成可以UART串口发送的数据。串口发送模块，经过FIFO控制模块转换的数据通过串口发送模块发送到串口，显示在PC端。DAC控制模块，当接收串口指定的指令时，开始将ROM的正弦数据进行DAC转换。

2 基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统设计

2.1 基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统设计技术

当前天通卫星技术正在快速发展，利用该技术所开发出的终端也逐渐应用在社会各个领域中。通过天通卫星终端信号采集系统，可以采集卫星所发出的信号强度、终端设备的运行功耗等数据，从而满足实际的应用需求。同时为了强化这些数据信息的管理，可以构建基于FPGA的天通卫星终端信号数据管理系统，并将所采集到的数据信息自动入库。同时通过可视化技术，将所存储的数据以图形化的方式展示出来。在数据信息的通信过程中，首先需要将所采集到的原始数据进行压缩，之后再对数据进行加密处理，这样就可以有效保证数据传输的安全性。在数据压缩的过程中，应该采取无损压缩技术，对于视频或者是图像等数据，可以采用有损压缩技术，这样就可以降低数据传输网络带宽的需求。对于数据加密算法，可以选取对称加密算法，并采用多个不同的密钥，对数据信息进行多次加密，这样也能够使得数据信息的安全性更高。同时对于加密过程中所采用到的密钥，也应采取动态分配的机制，并对密钥定期进行修改，这样也能够在一定程度上提高数据的安全性。

在基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统的设计过程中，由于卫星通信在网络带宽上会受到一定的限制，故在通信机制的制定中，应构建出合理的通信机制，确保数据传输的完整性。在具体的数据传输过程中，应根据所接收到的信号强弱程度，来对数据传输的大小和传输的速度进行动态的控制。在基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统的设计中，可以采取断点续传技术，保证数据包能够得到灵活的接收和传输。

2.2 基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统的功能模块

在基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统当中，需要设计多个不同的功能模块，不同功能模块分别扮演着不同的角色，以实现模块化的设计。首先需要采用到现场管理模块，这样就能够对天通卫星中的速度、信号强度等关键数据进行监视和管理。二是历史数据查询功能模块，这样就可以调取进入数据库当中的关键信息，并对历史数据进行分析，发现历史数据中所存在的规律。三是数据信息共享功能模块，所采集到的数据信息可以提供给其他系统或用户使用，从而提高数据信息的价值。

3 评《Xilinx FPGA数字信号处理设计-基础版》

掌握FPGA数字信号处理设计需满足三个条件：熟悉FPGA设计方法、理解数字信号处理理论、掌握理论的工程实现方法。在《Xilinx FPGA数字信号处理设计-基础版》书中，主要包括FPGA基本概念、设计语言及环境、FPGA设计流程、常用接口设计等内容。通过上篇的学习，使对读者初步建立FPGA设计的概念和基本方法，了解数字信号处理FPGA设计的常用知识。下篇主要包括FPGA中数字的运算、典型IP核设计、FIR滤波器设计、IIR滤波器设计和FFT变换设计。数字信号处理设计的基石是滤波器设计和频谱分析。

该书通过实际的案例，对FPGA设计的基本原理进行了系统的分析和阐述，并对具体的设计方法和设计步骤进行了分析。同时还通过仿真分析，对测试的过程进行了介绍，这样就可以使得读者更好地掌握FPGA设计的关键技术，并为数字信号处理等技术的学习打下一定的基础。在该书的下篇当中，还对滤波器的设计技术和数字信号频谱分析等关键技术进行了分析。通过采取滤波器，能够更好地提高信号的质量。通过采用数字信号频谱分析，能够分析出信号当中各个主要成分，从而更好地对数字信号进行处理。通过对该书的学习，能够很好地掌握FPGA数字信号处理设计技术。

4 结 论

当前通信技术正在快速发展，每年都会涌现出新型的通信技术，对于促进社会的发展具有重要的意义。本书评系统分析了基于FPGA的天通卫星终端信号采集系统的设计方法和实现原理，并对《Xilinx FPGA数字信号处理设计-基础版》进行了点评，对于促进通信技术的发展具有一定的意义。